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退火爐氣體對流熱交換設計案例

1. 預熱段噴氣加熱

在帶鋼連續退火爐的預熱段，采用加熱段的400℃~600℃的廢氣對帶鋼進行預熱，可以使得帶鋼由環境溫度預熱到180℃~250℃，對提高熱效率很有意義。

理論和實際經驗均表明，如果不對帶鋼采用噴射廢氣方式進行對流熱交換，只是將帶鋼置于廢氣中運行的話，換熱效果非常之差。當然，帶鋼預熱的速度也不能太快，否則會影響板形，造成帶鋼跑偏。因此，預熱段一般采用最為簡易的方法，即采用管形噴梁上開圓形噴孔的結構，這種結構不但制造簡單方便，而且逸流通道暢通無阻，帶鋼振動較小，使用中也不易變形，壽命較長。一般采用圓筒形爐膛，上下兩節，中間設計兩對穩定輥，這種爐膛結構緊湊合理，剛度高，不易變形，便于做外保溫，爐膛內沒有保溫材料，可以大幅度提高爐內氣體的清潔度，防止氣流內的雜質吹到帶鋼表面。一般鍍鋅線設計一個圓筒形爐塔，兩個行程；連退線設計兩個圓筒形爐塔，四個行程。

某鍍鋅生產線退火爐預熱段總體布置如圖4.3-21所示。

氣體流向及與帶鋼的作用如圖4.3-22所示。

現場照片如圖4.3-23所示。

該退火爐預熱區噴箱設計參數如表4.3-2所示。

表4.3-2 噴箱設計案例

2.緩冷段噴氣冷卻

緩冷段根據工藝要求對帶鋼進行緩慢冷卻，因此與帶鋼的熱交換不是很強烈，一般采用普通的立方形爐塔，噴箱采用在管形噴梁上開圓形噴孔的結構。

某鍍鋅生產線退火爐緩冷段總體布置如圖4.3-24所示。帶鋼從上部爐喉進入，從下部爐喉離開，一共有三個行程，但只有前后兩個有效冷卻行程，中間一個是空行程。設計有上下兩臺風箱，上風箱從爐塔的下部吸入熱氣，經過冷卻水換熱器冷卻成冷風后噴向上部的帶鋼；下風箱從爐塔的上部吸入熱氣，經過冷卻水換熱器冷卻成冷風后噴向下部的帶鋼。每臺風箱分別設計有四組冷卻模塊，每個冷卻模塊有16個噴梁，分別向兩個行程的帶鋼兩側噴射冷卻氣體。

噴箱結構以及冷卻介質流向如圖4.3-25所示。

快冷段分區冷卻箱

為了進一步提高快冷段冷卻速率和帶鋼在橫向的溫度均勻性，SELAS公司采用了分區冷卻箱加高速“氣線”的方案，一方面將帶鋼在垂直方向分為5個區獨立進行冷卻，另一方面將HN氣體以高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼，進行熱交換后立即吸離帶鋼，取得了很好的效果。

某鍍鋅線快冷段在一個行程內設計了兩個冷卻單元。每個單元在帶鋼兩側均并排布置了5個縱向冷卻風箱，在風箱上橫向安裝了若干排噴氣片，每個噴氣片末端設計有扁形高速噴氣管道，可以噴出高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼進行強烈的熱交換，熱交換后的熱氣流立即通過噴氣片之間的逸流區被吸出爐膛外，匯集于一個集氣塔內，經過一次熱交換器冷卻后進入高壓離心風機，并經過二次熱交換器冷卻后再次通過各管路進入冷卻風箱，如此循環往復流動。

圖4.3-36（b）是爐膛水平剖視圖，從中可以看出在帶鋼的左右兩側均安裝有5只風箱，從圖4.3-36（f）C-C向旋轉視圖可以看出5個風箱分別對應帶鋼的中心區域、兩個次邊緣區域、兩個邊緣區域，風箱的寬度依次減小。圖4.3-36（a）是爐膛的縱向剖視圖，可見風箱都是長方形的，進氣管道在空間上是錯開的，對應帶鋼的中心區域和兩個邊緣區域的3只風箱從下方進氣；對應帶鋼兩個次邊緣區域的2只風箱從上方進氣。圖4.3-36（c）是圖4.3-36（a）中A區的放大，可見噴氣片內的噴氣管道截面在垂直方向上是逐漸減小的。圖4.3-36（e）是圖4.3-36（b）中D區的放大，可見噴氣片的末端有三角形凹槽，使得噴氣管道截面在水平方向上也是逐漸減小的。圖4.3-36（d）也可以說是圖4.3-36（e）的剖視圖，從圖4.3-36（c）的E-E向視圖4.3-36（d）可以看出噴氣片內的噴氣管道截面末端是圓形的，所以能夠高速度、小直徑的“氣線”。

噴氣片的實物照片如圖4.3-37所示，為了防止噴氣片變形和發生斷帶時帶鋼斷頭進入噴氣片之間的逸流區，在噴氣片之間增加了連接的加強筋。

圖4.3-37 噴氣片的實物圖

冷卻介質氣體控制圖如4.3-38所示，可以看出，上下兩個冷卻單元共用一套控制系統，但帶鋼的中心區域、兩個次邊緣區域、兩個邊緣區域所對應的冷卻風箱采用單獨控制的3臺高壓變頻離心風機，可見該方案是以帶鋼橫向溫度均勻性為重點設計的，可以非常精確地進行帶鋼溫度的分區控制。

這種分區冷卻箱最大的特點是對帶鋼在橫向的溫度進行分區檢測和閉環分區控制冷卻，可以保證帶鋼在橫向的溫度差控制在3℃以內，不但能夠提高產品性能的均勻性，更重要的是可以完全避免帶鋼因為橫向溫度差造成的瓢曲現象，確保穩定運行；同時，冷卻介質氣體在很密集的葉片中經過截面逐漸減小的通道，能夠形成高速度、小直徑的“氣線”沖擊帶鋼，確保每一份氣體都能與帶鋼進行充分的熱交換，因此換熱效率很高；另外，冷卻帶鋼后的熱氣能夠快速、順利地從噴氣片之間的逸流區被吸出爐膛外，不會對后續氣流帶來影響，因此帶鋼與刀片的距離可以小至40mm，這也非常有利于提高冷卻速率，對于0.8mm的帶鋼采用3~5%H₂濃度的保護氣體，可以以170℃/s的冷卻速度使帶鋼由750℃下降到460℃。不需要采用高氫就可以達到如此高的冷卻速率，不但可以滿足超高強度材質的需要，爐膛也不需要高氫冷卻那樣的高密封性能，是很有積極意義的。

煤氣波動產生的爐輥結瘤案例

1 壓印缺陷發生情況

某連退機組已經運行了三年多的時間，在一次中班正常生產時出現了圓珠狀輥印缺陷，周期為2512mm，正好與爐輥的直徑相吻合，分析生產線運行情況發現，缺陷是在產品的品種發生了變化，由高溫曲線轉向低溫曲線，生產線速度上升以后發生的。于是停機打磨爐輥，但開機后輥印仍在，通過調整爐內張力，對重點爐輥進行在線磨輥，使缺陷消除，并臨時調整計劃，轉產批量大的品種，生產線速度和爐內溫度保持不變，也就沒有發生壓印。到了白班，為了完成生產任務，于是重新轉到正常計劃生產，生產線速度和爐溫相應地發生了變化，壓印缺陷再次發生。

2 壓印產生時的異常分析

通過中班和白班兩次輥印產生的經過來看，爐內輥印主要是機組在規格過渡過程中產生，主要涉及到速度的變化和溫度的變化，在這個過程中發生變化的參數很多，到底根本性原因在哪里呢？

在進行綜合分析時，發現了一個異常現象，就是隨著爐溫的上升，加熱段爐內的氧氣含量和露點發生了上升。本來這兩者沒有直接聯系的，為什么關聯起來了呢？

經過進一步分析，在爐溫調整的時候，混合煤氣流量存在較大幅度的波動，中班的波動范圍在2200~11900 m3/h，白班的波動范圍在3100~14500 m3/h。

3 爐內氣氛變化原因分析

混合煤氣的波動在輻射管內部，理論上是不會影響爐內氣體氧含量和露點的。如果發生了影響，只有一個原因，有輻射管開裂。

原來，由于連退線爐子對輻射管的密封性沒有鍍鋅線高，該公司對輻射管封閉的標準是檢漏時氧含量在18%以下，而不是21%以下。于是查找輻射管檔案，發現在前次大修以后，進行過一次輻射管檢漏，對氧含量在18%以下的輻射管進行了封閉處理，但還有13套輻射管的氧含量在18%~19%沒有做處理。

4 爐輥結瘤原因分析

正是由于部分輻射管存在細微開裂，導致輻射管與爐內竄氣。理論上講，爐內是正壓，輻射管是負壓，輻射管內的氣體不可能泄漏到爐內，但是在爐溫調整時，如果煤氣調整產生的波動很大的話，有可能短時間壓力升高，超過爐內的正壓，輻射管內的煤氣和助燃空氣泄漏到爐內，造成爐內氧氣含量和露點的升高。這是，隨著煤氣和助燃空氣泄漏到爐內的還有煤氣內的雜質以及輻射管內的細小異物顆粒，這些雜質顆粒就會落在帶鋼表面，粘附到爐輥上，產生結瘤。

5 壓印問題的解決

根據以上分析，決定停機再次進行輻射管撿漏，發現部分輻射管氧氣含量有所增加，說明裂紋變得更加嚴重。為了對輻射管細微裂紋問題進行加嚴控制，決定對對氧含量在18.5%以下的輻射管進行了封閉處理。同時，對燃燒PID控制系統進行了調整，避免產生煤氣的大幅度波動。

 恢復生產以后，在產品規格調整，爐溫和生產線速度發生變化時，爐內含氧量和露點不再發生升高現象，壓印問題也沒有發生。

引自: 知鋼

作者: 許秀飛、張雨泉

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